土壤学(第六章) 土壤空气和热量状况
土壤地理学教学大纲第一部分：土壤地理理论教学大纲
土壤地理学教学大纲第一部分：土壤地理理论教学大纲一、教学目的和要求土壤地理学是自然地理学与土壤学之间的边缘科学，它是以土壤与地理环境之间的特殊矛盾为对象，研究土壤的发生、发育、分异和分布规律的科学。
《土壤地理学》作为地理与资源环境系地理科学专业的专业必修课，重点阐述土壤剖析、土壤发生、土壤分类、土壤类型、土壤分布以及土壤资源的合理利用与保护等内容。
通过系统学习，使学生掌握土壤地理学的基本知识、基本原理和技能，为后续课程的学习及日后从事相关工作打下基础。
二、课程内容与学时分配课程内容与学时分配表内 容 学 时第一章 绪论 4第二章 土壤矿物质 5第三章 土壤有机质 4第四章 土壤生物 2第五章 土壤水分 4第六章 土壤空气和热量 4第七章 土壤物理性质 4第八章 土壤胶体与土壤吸收性能 4第九章 土壤溶液 2第十章 土壤形成和发育 4第十一章 土壤分类 2第十二章 土壤主要类型 2第十三章 土壤空间分异规律与土壤分区 4合计 45第一章 绪论土壤与人类，土壤与地理环境，土壤概念（重点），土壤性质（重点），土壤剖面划分（重点），土壤地理学研究对象、内容和方法（难点），21世纪土壤科学发展展望作业：1.人类应该以什么样的态度来看待和利用土壤？2.怎样理解土壤在地理环境中的地位和作用，以及土壤和人的关系？3.试从地理环境要素相互联系、相互作用的角度证明地理圈中包含着土壤圈。
4.请亲自观察校园绿地或者附近农田林地，选择一个具体的单个土体，运用所学的知识阐述土壤是一个开放系统，并说明该土壤开放系统中的主导物质能量迁移转化过程。
第二章 土壤矿物质土壤矿物质的来源和组成，土壤原生矿物，土壤矿物质形成与转化（难点、重点），土壤次生矿物（重点），土壤矿物质地理分布作业：1.土壤的基本组成是什么？如何看待它们之间的关系？2.试分析地壳和土壤中元素组成的异同点。
3. 试说明土壤次生粘土矿物的构造特征和共同特性。
4. 如何确定土体硅铁铝率与迁移系数，阐述其土壤地理意义。
自然地理学 第六章 土壤
四、土壤物质
• 土壤是由固相（矿物质、有机质）、液相（土壤 水分）、气相（土壤空气）等三相物质组成的， 它们之间是相互联系、相互转化、相互作用的有 机整体
（一）土壤矿物质
1. 原生矿物：土壤原生矿物是指各种岩石受到不同程 度的物理风化，而未经化学风化的碎屑物，其原来的 化学组成和结晶构造均未改变。 2. 次生矿物： 次生矿物是由原生矿物经风化后重新形 成的新矿物，其化学组成和构造都经过改变，而不同 于原来的原生矿物。
• 土壤有机质在土壤肥力中的作用
1. 土壤有机质是植物养料的源泉 2. 土壤有机质具有离子代换作用、络合作用和缓冲 作用 3. 土壤有机质能改善土壤物理性质 4. 土壤有机质是植物生长激素
（三）土壤水分
• 土壤水分（Soil moisture）是土壤的重要组成成分之 一。它不仅是植被生活不可缺少的生存因子，而且它 和可溶性盐构成土壤溶液，成为向植物供给养分的介 质。 1. 土壤水分的来源及其耗损 土壤水分主要来自大气 降水、灌溉水、地下水。此外，水汽的凝结也会增加 土壤水分的含量，但这种水分含量很少，不占重要地 位。土壤水分的消耗主要有土壤蒸发、植物吸收和蒸 腾，水分渗漏和径流损失等，其中地面蒸发和水分渗 漏最为重要。
式中П代表土壤；К代表气候；О代表生物；Г代表岩石；Р代表地形；Т 代表时间。
• 本世纪40年代美国土壤学者詹尼（H.Jenny）提出与道 库恰耶夫相似的函数关系式： s =f (cl,o,r,p,t…)
式中s代表土壤；cl代表气候；o代表生物；r代表地形；P代表母质；t 代表时间；点号代表尚未确定的其他因素。
(2)有机胶体：包括腐殖质、有机酸、蛋白质及其衍生物 等大分子有机化合物。
土壤学 第6章土壤空气和热量状况
难点：
气体的扩散，辐射平衡，热状况的调节。
本章内容
第一节 土壤空气 第二节 土壤热量 第三节 土壤热性质 第四节 土壤温度
第一节 土壤空气 soil air
土壤空气主要来自大气，少量是土壤中生物、生物 化学和纯化学过程产生的气体。故土壤空气与大气的基 本组成相近，但由于土壤多相体系的特点，因而也存在 差异，显示其自身的特点。
支出的长波辐射（E）— 收入的长波辐 射 (G)
R=(I＋H)(1－α)－r
地面的热量平衡（北半球）
（二）影响因素
1. 太阳的辐射强度
地表
表面类型
反照率 %
雪 2
75-90
.
地
水
3-10
面 湿的深色粘土 2-8
的 干的深色粘土 16
反 照
湿的砂土
9
率 干的砂土
18
(albedo)
裸地
12-25
1. 土壤热容量（Heat capacity of soil） 比热（C）（specific heat )：单位重量的 土壤每升高（或降低） 1℃所需的热量。 容积热容量（Cv）（volumetric heat capacity）：单位容积的土壤每升高（或 降低） 1℃所需的热量。 Cv = Db×C
• 土壤通气量（soil air flux）：单位时间内单位 压力下，进入单位体积土壤中气体的总量（ml cm-3 s-1）.
• 充气孔隙度（air-filled capacity）：
fa = 总孔隙度－体积含水量
• 氧化还原电位（redox potential）
R
Eh
E0
RT nF
土壤学总复习题
土壤学总复习题绪论：1、土壤剖面：有成土作用形成的层次称为土层（土壤发生层），而完整的垂直土层序列称之为土壤剖面。
三个基本层：A层：地表最上端，腐殖质在这一层聚积。
B层：粘粒在这里淀积，称淀积层或过渡层。
C层：不同程度风化物构成，称母质层。
2、肥力：土壤供应植物生长所必需的能力。
有效肥力：在农业实践中，由于土壤性质、环境条件和技术水平的限制，只有土壤中的一部分肥力在当季生产中能表现出来，产生经济效益这一部分费力叫有效肥力，而没有直接反映出来的叫做“潜在肥力”。
3、土壤的概念：能产生植物收获的地球陆地表面的疏松层次。
4、环境土壤学：第一章【土壤矿物质】：1、原生矿物：指那些经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。
次生矿物：在风化和成土过程中新形成的矿物。
2、土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势，土壤次生矿物以结晶层状硅酸盐粘土矿物为主。
粘土矿物是在风化和成土过程中所形成的次生矿物。
3、粘土矿物：一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞（片）堆叠形成，而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。
不同种类的粘土矿物，它们的最小构造单元都是一样的。
但是，基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同，因而形成不同粘土矿物各自的特点。
粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
硅氧四面体的结构如图11-1所示，每个四面体的中心是一个硅原子，它与四个氧原子以相等的距离相连，四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。
从单独的四面体看，4个氧还有4个剩余的负电荷，因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。
依此，四面体在平面上相互连接，形成四面体层。
铝氧八面体的结构如图11-2所示，每个八面体的中心是一个铝原子，它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。
三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。
由于还有剩余电荷，氧原子还能和另一个临近的铝离子相结合。
依此，八面体在平面上相互联结，形成八面体层。
土壤学复习重点
土壤学复习重点第一章绪论1、土壤的物质组成 : 土壤由矿物质、有机质 ( 土壤固相 ) 、土壤水分 ( 土壤液相 ) 、和土壤空气 ( 土壤气相 ) 三相四类物质组成。
2、土壤肥力 : 指土壤在某种程度上能同时不断地供给和调节植物正常生长发育所需要的水分、养分、空气、热量的能力。
3、土壤生产力 : 土壤生长植物并提供产品的能力, 由土壤本身的肥力属性和发挥肥力作用的外界条件所决定。
4、成土因素 : 气候、生物、地形、母质和时间。
第二章土壤的矿物组成1、矿物 : 矿物是天然产生与地壳中具有一定化学组成、物理性质和内在结构的化合物或单质。
土壤矿物按矿物来源, 可分为原生矿物和次生矿物; 按矿物的结晶状态 , 可分为结晶质和非晶质。
2、岩石 : 岩石是指由一种或数种矿物组成的自然集合体。
3、风化作用 : 风化作用是指地壳最表层的岩石在空气、水、温度和生物活动的影响下 , 发生机械破碎和化学变化的过程。
包括物理风化、化学风化、生物风化三种类型。
4、物理风化 : 指岩石因受物理因素作用而逐渐崩解破碎的过程。
特点: 只能引起岩石形状大小的改变 , 而不改变其矿物组成和化学成分。
5、化学风化 : 指岩石在化学因素作用下, 其组成矿物的化学成分发生分解和改变 , 直至形成在地表环境中稳定的新矿物。
特点: 不仅使已破碎的岩石进一步变细,更重要的是岩石发生矿物组成和化学成分的改变, 产生新的物质。
6、生物风化 : 指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用。
7、构成层状硅酸盐粘土矿物的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
8、同晶替代 : 是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子替代而晶格构造保持不变的现象。
9、高岭组 :1:1型粘土矿物,晶层由一层硅片和一层铝片重叠而成。
两个晶层的层面间产生了键能很强的氢键 , 不易膨胀。
基层内没有或极少同晶替代现象 , 其电荷数量少。
颗粒较粗、总表面积相对较小 , 可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都较弱。
土壤学6(土壤水)
Chap.6 土壤水分
§5 土壤水运动 3.土壤中的水汽运动 土壤气态水的运动表现为水汽扩散和水 汽凝结两种现象。 水汽扩散运动的推动力是水汽压梯度， 这是由土壤水势梯度或由土壤水吸力梯 度和温度梯度所引起的。 土壤水不断以水汽的形式由表土向大 气扩散而逸失的现象称为土面蒸发。
Chap.6 土壤水分
Chap.6 土壤水分
§3 土壤水分含量的表示和测定方法 1. 土壤质量含水量 土壤质量含水量是指土壤中保持的水分 质量占土壤质量的分数,单位g/kg (也曾用 %表示)。 θ m=[(m1-m2)/m2]×1000 式中θ m为土壤质量含水量（g/kg）、 m1 为湿土质量（g）、m2为干土质量（g）。
Chap.6 土壤水分
§2 土壤水分的类型和性质 3. 毛管水 靠毛管力保持在土壤孔隙中的水分称为 土壤毛管水。 毛管水的特点：这种水可以在土壤毛管 中上下左右移动、具有溶解养分的能力、 作物可以吸收利用。 毛管水的数量主要取决于土壤质地、腐 殖质含量和土壤结构状况。
Chap.6 土壤水分
Chap.6 土壤水分
§4 土壤水分能态 1. 土水势
压力势（Ψ g）：它是指将单位水量从一个土 -水体系移到另一个压力不同，而温度、基质、 溶质等状态完全相同的参比系统时所做的功。 或在土壤饱和水的情况下，由于受压力而产 生土水势变化。 不饱和水土壤条件下，土壤水的压力势一般 与参比标准相同，等于0。压力势一般为正值。
d q K ( m ) dx
Chap.6 土壤水分
§5 土壤水运动 2. 非饱和土壤中的水流
d 式中K（Ψ m）为非饱和导水率；dx
为总水势梯度。 非饱和条件下土壤水流的数学表达式与饱和条件下 的类似， 二者的区别在于： A.饱和条件下的总水势可用差分形式，而非饱和条件 下则用微分形式； B. 饱和条件下的土壤导水率（K）对特定土壤为一常 数，而非饱和导水率是土壤含水量或基质势的函数。 土壤水吸力和导水率之间的关系（如图5-11）土壤 水吸力为零或接近于零，饱和导水率最大。
土壤学考研复习重点
绪论1.土壤：地球陆地表面能生长植物的疏松表层，具有特殊的形态、性质和功能的自然体。
2.土层：由成土作用形成的层次。
3.土壤剖面：完整的垂直土层序列。
4.土壤圈：覆盖于地球陆地的表面，处于其他圈层的交接面上，成为了连接的纽带，构成了结合无机界和有机界‐‐‐‐即生命和非生命联系的中心环境。
5.土壤肥力：指土壤经常地适时适量地供给并协调植物生长发育所需要的水分、养分、空气、温度、扎根条件和无毒害物质的能力。
6.自然肥力（土壤在自然因素的作用下所发展起来的肥力，是成土作用的产物）7.人为肥力（在耕作熟化过程中发展起来的，是人为因素作用下产生的，是劳动的产物）8.有效肥力（指在生产上表现出来的肥力）9.潜在肥力（指在生产上没有直接表现出来的肥力10.土壤在农业生产和自然环境中的重要性？一、土壤是农林业生产的基础二、土壤是陆地生态系统重要组成部分三、土壤是最珍贵的自然资源。
四、土壤的可持续利用是持续农业的基础。
11.土壤的本质特征是具有肥力，肥力的四大因子是水、肥、气、热。
12.土壤组成如何？土壤学发展过程的三大学派？固相（矿物质95%;有机质5%）液相（土壤水）气相（土壤空气）。
a．农业化学土壤学派（德国，李比希）b.土壤地地质学派（德国—法鲁）c.土壤发生学派（俄国‐倒库切耶夫）固体颗粒（38%）固相（50%）土壤有机物（12%）气相（50%）粒间空隙（50%）液相（50%）土壤学发展过程的三大学派：1.农业化学学派。
（提出矿质营养学说）。
2.农业地质学派（19世纪后半叶）。
3.土壤发生学派（提出土壤是在五大成土因素作用下形成的）。
第一章土壤矿物质1.同晶替换：组成矿物的中心离子被电性相同，大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。
2.土壤矿物质的矿物组成：(一)原生矿物1.原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主；以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。
常见石英、长石、云母、辉石、角闪石等。
2.原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性；石英最稳定，是粗土粒的主要成分；白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多；黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。
土壤学总复习题
土壤学总复习题绪论：1、土壤剖面：有成土作用形成的层次称为土层（土壤发生层），而完整的垂直土层序列称之为土壤剖面。
2、肥力：土壤供应植物生长所必需的能力。
有效肥力：在农业实践中，由于土壤性质、环境条件和技术水平的限制，只有土壤中的一部分肥力在当季生产中能表现出来，产生经济效益这一部分费力叫有效肥力，而没有直接反映出来的叫做“潜在肥力”。
3、近代土壤科学的主要观点：1、农业化学土壤学派（这一观点把土壤看作提供植物生长所必需的水分、养分和起物理作用的介质）2、农业地质土壤学观点（这一观点把土壤形成过程看作岩石的风化作用过程，认为土壤是岩石经过风化而形成的地表疏松层，即岩石风化的产物）3、土壤发生学派（土壤形成过程是岩石风化过程和成土过程所推动的）第一章【土壤矿物质】：1、原生矿物：指那些经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。
次生矿物：在风化和成土过程中新形成的矿物。
2、土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势，土壤次生矿物以结晶层状硅酸盐粘土矿物为主。
粘土矿物是在风化和成土过程中所形成的次生矿物。
3、粘土矿物：一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞（片）堆叠形成，而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。
不同种类的粘土矿物，它们的最小构造单元都是一样的。
但是，基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同，因而形成不同粘土矿物各自的特点。
粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
硅氧四面体的结构如图11-1所示，每个四面体的中心是一个硅原子，它与四个氧原子以相等的距离相连，四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。
从单独的四面体看，4个氧还有4个剩余的负电荷，因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。
依此，四面体在平面上相互连接，形成四面体层。
铝氧八面体的结构如图11-2所示，每个八面体的中心是一个铝原子，它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。
三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。
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土壤空气与近地表大气组成，主要差别： （1）土壤空气中的CO2含量高于大气； （2）土壤空气中的O2含量低于大气； （3）土壤空气中水汽含量一般高于大气； （4）土壤空气中含有较多的还原性气体。
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二、土壤空气含量(soil air content)
土壤空气含量=总孔度-水分容积百分率。
露地
05-01
07-29
05-01
07-29
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
0
—
— 0.92 —
— 0.06 0.06
—
5 0.16 20.50 1.01 20.44 0.07 20.65 0.21 20.65
10 0.42 20.40 1.06 20.28 0.10 20.51 0.28 20.67
通气良好利于有机质矿质化。 (2) 根系吸收养分，也需要通气良好条件下的呼吸作
用提供能量。 4.土壤空气状况与作物抗病性 (1) 植物感病后，呼吸作用加强，以保持细胞内较高
的氧水平，对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用；
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(2) 呼吸提供能量和中间产物，利于植物形成某些 隔离区阻止病斑扩大；
液相扩散：通过不同厚度水膜的扩散
两种扩散都可以用费克（Fick）定律表示：
qd =Ddc/dx
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qd—扩散通量(单位时间通过单位面积扩散的质 量)； dc/dx—浓度梯度；
D—在该介质中扩散系数(其量纲为面积/时间)
从公式可见，气体扩散通量(qd)与其扩散系数 (D)和浓度梯度(dc/dx)或分压梯度(dp/dx)成正比。
(3) 土壤空气中还原性气体，也可使根系受害，如 H2S使水稻产生黑根，导致吸收水肥能力减弱，甚 至死亡。
2.土壤空气与种子萌发(bourgeon)
种子萌发，所需氧气主要由土壤空气提供，缺 氧时，葡萄糖酒精发酵，产生酒精，使种子受害。
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3.土壤空气与微生物活动 (1) 土壤空气影响微生物活动，从而影响有机质转化。
一、土壤空气组成(soil air composition)
表6－1 土壤空气与大气组成差异
气体 近地表大气
O2(%) 20.94
CO2(%) 0.03
N2 (%) 78.05
其它气体(%) 0.98
土壤空气 18.0～20.03 0.15～0.65 78.8～80.24 0.98
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平均 0.62 20.12 1.27 19.95 0.27 20.24 0.85 20.02
三、土壤空气与作物生长
1.土壤空气与根系
(1) 若土壤空气中O2的含量小于9％或10％，根系 发育就会受到影响，O2含量低至5％以下时，绝大 多数作物根系停止发育。
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(2) O2与CO2在土壤空气中互为消长，当CO2含量大 于1％时，根系发育缓慢，至5～20％，则为致死的 含量。
(3) 伤口呼吸显著增强，利于伤口愈合，减少病菌 侵染。
四、土壤空气与大气痕量温室气体(greenhouse
gasses)的关系
大气中痕量(trace quantity)温室气体（CO2、CH4、 N2O、氟氯烃化合物）导致的气候变暖，是人们非常 关注的重大环境问题。土壤是大气痕量温室气体的
源(source)和汇(sink) 。
土壤空气的组成不是固定不变的，土壤水分、 土壤生物活动、土壤深度、土壤温度、pH值，季 节变化及栽培措施等都会影响土壤空气变化。
随着土壤深度增加，土壤空气中CO2含量增加， O2含量减少，其含量相互消长。
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表6－2 覆膜和裸露棉田在不同生长期内土壤空气含量 （%）
覆膜
15 0.25 20.49 0.87 19.95 0.13 20.86 0.39 20.51
20 0.48 20.48 1.35 20.06 0.15 20.12 0.41 20.63
30 0.57 19.87 1.16 20.01 0.31 20.18 1.16 20.36
50 0.92 19.93 1.52 19.70 0.40 20.20 1.28 19.87
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2.土壤空气的扩散
在大气和土壤之间CO2和O2浓度的不同形成分压 梯度，驱使土壤从大气中吸收O2，同时排出CO2的气 体扩散作用，称为土壤呼吸。是土壤与大气交换的主
要机制孔隙扩散保持着大气和土壤 间的气体交流作用
气压变化、温度梯度、土壤表层风力、降水或灌溉 等。
土壤对流公式：qv=-(k/η)▽p
qv—空气的容积对流量（单位时间通过单位横截 面积的空气容积）；
k—通气孔隙通气率； η—土壤空气的粘度；
p—土壤空气压力的三维（向）梯度；
负号表示方向。
从公式可见空气对流量随土壤透气率和气压梯度 增加而增大。
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土壤向大气释放温室气体，因此说土壤是大气痕 量温室气体的源。
土壤对大气中温室气体的吸收和消耗，称为汇。
五、土壤空气的运动
1.土壤空气的对流(convection)
土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动， 也称质流。对流由高压区流向低压区。
总压力梯度的产生：
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第六章 土壤空气和热量状况
主要内容
教学目标 与要求
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1.土壤空气 2.土壤热量 3.土壤热性质 4.土壤温度
1.掌握土壤空气的组成与大气组成 的差异及土壤空气运动的方式； 2.了解土壤热量的来源，掌握土壤 的三个热参数; 3.理解土壤温度变化的影响因素。
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第一节 土壤空气(Soil Air)
浓度梯度是不易控制因素，所以只有调整扩散系 数D来控制气体扩散通量。
扩散系数D值的大小取决于土壤性质，主要取决 于通气孔隙状况及其影响因素(质地、结构、松紧程 度、土壤含水量等)。
D=D0·S·l/le
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D0—自由空气中的扩散系数； S—未被水分占据的孔隙度； l—土层厚度； le—气体分子扩散通过的实际长度。 l/le和S的值都小于1。